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新品中紅外InAsSb探測器：符合RoHS標準，可替MCT

2023-04-04

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一談到中紅外探測器，尤其是科研領域應用，碲鎘汞MCT探測器一定榜上有名。濱松多年前也曾致力于MCT探測器的推廣，但是濱松現如今推出了新一代InAsSb探測器來全部替代MCT，主要原因如下：1、MCT晶體很難均勻生長，探測器的光敏面以及不同芯片之間D*通常會發生變化，晶體生長困難增加了探測器成本；2、探測器制冷增加了尺寸和運行功耗；3、MCT含有重金屬元素汞，不符合RoHS標準。


InAsSb探測器的出現就可以很地解決以上問題。接下來我們通過展示與競爭對手的參數對比和與同等類型材料的性能對比，用實際數據進一步說明濱松InAsSb探測器所能發揮的優勢長處。

濱松InAsSb與同類型材料性能對比
相比于碲鎘汞HgCdTe材料襯底昂貴、大面積組分不均勻，工作需低溫制冷，濱松InAsSb材料均勻性和穩定性更好。InAsSb材料具有載流子壽命長、吸收系數大等優點，是一種具有廣闊應用前景的中紅外光電材料。InAsSb探測器可以在150K甚至室溫下工作，具有較高的靈敏度和比探測率，是小型化、低功耗、高靈敏度和快響應中紅外探測最佳選擇之一。并且完全符合RoHS標準，更容易大規模制造。
image.png表1 制冷型中紅外探測器材料性能對比
濱松InAsSb與競品對比分析



濱松提供專有的多級TE制冷InAsSb探測器，其受環境溫度變化影響較小并允許室溫下運行。以下是濱松與競品對比：
image.png圖1 濱松InAsSb探測器（左）與VIGO高性能4級制冷MCT探測器（右）D*對比
對比核心指標比探測率D*可以發現，濱松InAsSb探測器的優點在于：

濱松InAsSb探測器1~2 μm波段的D*優于VIGO MCT探測器 ；

濱松覆蓋3~8 μm波段C12494-210M的D*和VIGO的PVI-4TE-8基本接近 ；濱松單個探測器的波長響應范圍可以覆蓋10 μm以上（C12494-011LH） 。


image.png表2 濱松InAsSb探測器P12691-201G與VIGO MCT探測器PVI-4TE-8對比


通過對勢壘層的設計和優化，濱松的InAsSb探測器P12691-201G 比探測率D*相比VIGO的4級TE制冷探測器PVI-4TE-8高了20%，同時可以實現更高的工作溫度（-30℃），大大降低了對于制冷的要求。在不犧牲探測面積的情況下P12691-201G的帶寬可以做到VIGO的PVI-4TE-8的4倍以上，高達百MHz量級。


image.png圖2 濱松InAsSb探測器P12691-201G產品展示


濱松InAsSb新品預告

濱松將于2023年上半年推出緊湊型、高性價比、高速響應InAsSb探測器模塊P16702-011MN（集成前放）。


image.png圖3 InAsSb探測器模塊P16702-011MN展示



紅外探測器的發展歷史


講完了中紅外探測器，我們就借此機會回顧一下紅外探測器的百年發展史，（點擊了解，紅外探測器基礎知識）。
紅外線介于可見光和微波之間，波長范圍0.76~1000 μm。凡是高于絕對零度（0 K，即-273.15℃）的物質都可以產生紅外線，也叫黑體輻射。由于紅外肉眼不可見，要察覺這種輻射的存在并測量其強弱離不開紅外探測器。
1800年英國天文學家威廉·赫胥爾首次發現了紅外線，隨著后續對紅外技術的不斷研究以及半導體技術的發展，紅外探測器得到了迅猛的發展，先后出現了硫化鉛（PbS）、碲化鉛（PbTe）、銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe，簡稱MCT）、銦鎵砷（InGaAs）、量子阱（QWIP）、銦砷銻（InAsSb）、二類超晶格（type-II superlattice，簡稱T2SL）、量子級聯（QCD）等不同材料紅外探測器，如圖所示：


image.png圖4 第一代至第四代紅外探測器發展路線及大事記[1]


從工作原理來看紅外探測器主要分兩類：熱探測器和光電探測器。熱探測器利用熱電效應通過熱電偶將溫度轉換為電壓，比如熱電堆、熱電探測器和熱輻射計等。光電探測器通過光電效應將紅外信號轉換為電信號，比如PbS、PbSe、InGaAs、InAsSb、MCT等。

從材料來看紅外探測器主要有兩大類：以氧化釩、非晶硅為代表的非制冷型材料；以MCT、InSb、T2SL等為代表的制冷型材料。非制冷型材料主要利用紅外輻射熱效應進行工作，制冷型材料主要利用光電效應工作。

image.png

表3 制冷型和非制冷型紅外探測器對比


濱松紅外探測器分類及介紹


濱松紅外探測器可以實現近紅外到長波紅外（0.7~15 μm）全系列覆蓋，包括常見的Si、InAs、InSb、InAsSb、T2SL、QCD以及熱電堆探測器。


image.png

圖5 濱松紅外探測器分類及波長范圍


參考文獻：

[1] Rogalski A. Next decade in infrared detectors[C]//Proc of SPIE, 2017, 10433: 104330 L.

關于中紅外探測器系列文章的第一篇到此就已經結束了，后面我們還會陸續介紹濱松的二類超晶格T2SL探測器和量子級聯QCD探測器大家敬請期待。如果有任何問題都可以在評論區提問，以下濱松中國產品技術工程師會第一時間為您解答。




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